JP2017028291A - 構造物を気相化学的にドライエッチングするための方法及び装置 - Google Patents

構造物を気相化学的にドライエッチングするための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】構造物を気相化学的にドライエッチングする方法を提供する。
【解決手段】本発明によれば、構造物を気相化学的にドライエッチングする方法であって、構造物をエッチングチャンバー内に配置するステップであって、この構造物が第１の材料及び第２の材料を含み、第１の材料がケイ素、モリブデン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ及びタングステンから選択され、第２の材料が二酸化ケイ素又は窒化ケイ素であり、第１の材料の少なくとも１つの表面が気相化学エッチャントにより接触可能であるように暴露している、ステップ；及び第１の材料を希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相化学エッチャントでエッチングするステップ、を含み、この方法が、第１の材料をエッチングするステップが水蒸気の存在下で行われるように、エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップをさらに含む、方法が提供される。
【選択図】図１

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、構造物を気相化学的にドライエッチングする方法に関する。本発明はまた、構造物を気相化学的にドライエッチングするための装置に関する。
２．関連技術の説明
本発明は、半導体製造の分野における一般に遭遇する長年の問題に取り組むものである。この問題は、ケイ素と、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素の両方を含み、構造物のケイ素部分をエッチングすることが望まれる構造物に関与する。構造物の二酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素部分は、マスクとして、又はそれ自体で永続的な構造上の構成要素として、存在することができる。問題は、ケイ素をエッチングするのに用いられるエッチングプロセスが、二酸化ケイ素及び窒化ケイ素をも攻撃することである。ケイ素と二酸化ケイ素及び窒化ケイ素とのエッチング選択性を向上させることが非常に望ましい。なぜならば、この種の選択性の向上は、ケイ素エッチングプロセスに首尾よく耐えるために必要とされる、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素の厚さを低減するからである。このことは同様に、コストを低減し、設計融通性をも提供する。本明細書において、選択性は、エッチングされる標的材料（例えば、ケイ素）の量と、エッチングされる二酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素の量との比として定義される。エッチングプロセスにおける様々なポイントで、様々なガスを導入することにより、エッチング選択性を向上させるための様々な提案がなされてきた。ＵＳ６２９０８６４号公報は、エッチャント及びヘリウムなどの非エッチャントの混合物の使用を提案している。ＧＢ２４７３８５１号公報は、水素の使用を開示し、ＵＳ７０４１２２４号公報は、水素及び／又は酸素の使用を開示しており、両方の場合において、エッチャントとの混合物の一部として用いられている。ＷＯ２０１１／００６８９５号公報は、酸素及び／又は亜酸化窒素、オゾン又は二酸化窒素などの酸化ガスの、エッチングプロセスにおける様々な段階での使用を提案している。これらの酸化ガスは、効果を生じるために追加の加熱を必要とする可能性がある。
本発明は、少なくともその実施形態のいくつかにおいて、選択性の向上した、構造物を気相化学的にドライエッチングする方法を提供する。気相化学ドライエッチングは、エッチングが進むために、エッチャントを解離させるプラズマ又は別の高エネルギー手段の存在を必要としない、気相化学エッチャントでのエッチングを指す、と理解される。「気相」という用語は、ガス状の相に存在する蒸気相種又は昇華種への言及を含むということも理解される。
本発明の第１の態様によれば、構造物を気相化学的にドライエッチングする方法であって、
該構造物をエッチングチャンバー内に配置するステップであって、該構造物が第１の材料及び第２の材料を含み、該第１の材料がケイ素、モリブデン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ及びタングステンから選択され、該第２の材料が二酸化ケイ素又は窒化ケイ素であり、該第１の材料の少なくとも１つの表面が気相化学エッチャントにより接触可能であるように暴露している、ステップ；及び
該第１の材料を希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相化学エッチャントでエッチングするステップ、を含み、
該方法が、該第１の材料をエッチングするステップが水蒸気の存在下で行われるように、該エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップをさらに含む、方法が提供される。
本技術分野における通常の知識は、希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物エッチャントでのエッチングの間に、エッチングチャンバー内に湿気が存在すると、ＨＦの形成を引き起こし、このＨＦが次にＳｉＯ2をエッチングするだろうと示唆する。ＵＳ６９３９４０９号公報は、この一般に認められている常識の例を提供する。このことがケイ素と二酸化ケイ素とのエッチング選択性の低下を引き起こすだろうと考えられている。窒化ケイ素はまた、ＨＦにより影響を受け、そのため湿気の存在がケイ素と窒化ケイ素とのエッチング選択性の低下をも引き起こすだろうと考えられている。それ故に、本発明が優れた及び向上したエッチング選択性を引き起こすことができるということは、非常に驚くべきことである。
チャンバーを水蒸気に暴露するステップは、第１の材料をエッチングするステップより前に、水蒸気をエッチングチャンバー内へ導入するステップ及びその次に水蒸気をエッチングチャンバーから除去するステップを含んでよい。
水蒸気をエッチングチャンバー内へ導入するステップ、水蒸気をエッチングチャンバーから除去するステップ及び基板をエッチングするステップは、周期的に繰り返してよい。これらの実施形態において、第１の材料をエッチングするステップの後及びそれに続くエッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップより前に、気相化学エッチャントをエッチングチャンバーから除去してよい。第１の材料を希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相エッチャントでエッチングする最初のステップは、水蒸気をエッチングチャンバー内へ導入するステップ、水蒸気をエッチングチャンバーから除去するステップ、及び基板をエッチングするステップの周期的繰り返しより前に行ってよい。
エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップは、気相化学エッチャントがエッチングチャンバー内へ導入されるのと同時に、水蒸気をエッチングチャンバー内へ導入するステップを含んでよい。気相化学エッチャント及び水蒸気は、エッチングチャンバー内へ連続的に流されてよい。代わりに、気相化学エッチャント及び水蒸気は、一連のパルスで同時にエッチングチャンバー内へ導入してよい。
気相化学エッチャント及び水蒸気は、エッチングチャンバー内へ別々に導入してよい。これは、気相化学エッチャント及び水蒸気のための別個のガスライン及びガス入口の使用により、達成してよい。代わりに、気相化学エッチャント及び水蒸気は、エッチングチャンバー内へのそれらの導入より前に、共に混合されてよい。これらの方法論は、エッチングチャンバーを水蒸気に暴露する、連続流れ法又はパルス法の一部として用いてよい。
チャンバーを水蒸気に暴露するための上記の方法の組み合わせを、単独のエッチングプロセスで利用してよい。
エッチングチャンバー内の水蒸気の分圧は、エッチングチャンバー内で第１の材料をエッチングするステップの間、気相化学エッチャントの分圧未満であってよい。エッチングチャンバー内の水蒸気の分圧と、エッチングチャンバー内の気相化学エッチャントの分圧との比は、第１の材料をエッチングするステップの間、０．５：１未満であってよい。
化学エッチャントはＸｅＦ2であってよい。代わりに、化学エッチャントはＸｅＦ4、ＸｅＦ6、ＫｒＦ2、ＣｌＦ3、ＢｒＦ3又はＩＦ5であってよい。
エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップは、少なくとも５Ｔｏｒｒ（６６７Ｐａ）の圧力で水蒸気をエッチングチャンバー内へ導入するステップを含んでよい。水蒸気は、少なくとも１０Ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）の圧力であってよい。水蒸気は、約１２Ｔｏｒｒ（１６００Ｐａ）の圧力でエッチングチャンバー内へ導入してよい。
水蒸気は、３０℃未満の温度でエッチングチャンバー内へ導入してよい。水蒸気は、室温又は室温よりわずかに高い温度（例えば、室温よりも５℃以内高い）であってよい。一般に、高温の水蒸気を用いる必要はない。
エッチングチャンバーは、２０秒未満の間、水蒸気に暴露されてよい。
構造物は、少なくとも２，５００、好ましくは少なくとも４，０００、より好ましくは少なくとも１０，０００、及び最も好ましくは少なくとも２０，０００の、第１の材料と第２の材料とのエッチングの選択性で、化学的にエッチングしてよい。これらの実施形態において、第１の材料はケイ素であってよい。第２の材料は二酸化ケイ素であってよい。
第２の材料が窒化ケイ素である場合、構造物は、少なくとも６０００の第１の材料と第２の材料とのエッチングの選択性で、化学的にエッチングされてよい。第１の材料はケイ素であってよい。
熟練した読者は、窒化ケイ素サンプルの正確な組成は、堆積条件などの様々な要因に応じて変わる可能性がある、ということを理解するだろう。窒化ケイ素は、ＳｉxＮyとして記載することができ、式中、ｘ及びｙは固定されておらず、典型的にはそれぞれ３及び４近傍である。
構造物上に存在する二酸化ケイ素及び窒化ケイ素は、ＣＶＤ（化学気相堆積）法又は物理的堆積法などの任意の適切な技術によって生成させてよい。ケイ素の熱酸化、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）又はプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）を用いてよい。二酸化ケイ素及び窒化ケイ素は膜として存在してよく、この膜は薄膜であってよい。
第１の材料及び第２の材料の全ての組み合わせは、本発明の範囲内にある。
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様の方法で該構造物を気相化学ドライエッチングするための構造物及び装置であって、
該装置が、
該構造物が中に配置されるエッチングチャンバー；
希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相化学エッチャントの第１の源；
ある体積の水を含有する第２の源；及び
ｉ）該エッチングチャンバーを該第２の源から供給される水蒸気に暴露させ、ｉｉ）水蒸気の存在下で該構造物を該第１の源から供給される該気相化学エッチャントでエッチングさせる、コントローラーを含むガス送達及び除去システム、を含み、
該構造物が第１の材料及び第２の材料を含み、該第１の材料がケイ素、モリブデン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ及びタングステンから選択され、該第２の材料が二酸化ケイ素又は窒化ケイ素であり、該第１の材料の少なくとも１つの表面が該気相化学エッチャントにより接触可能であるように暴露している、構造物及び装置が提供される。
本発明の第１の態様に関連して説明された任意の特徴が、本発明の第２の態様に関連しても説明され、その逆も同じである、ということが理解される。
本発明を上に説明してきたが、本発明は、上記の又は以下の記載、図面若しくは請求項に記載された特徴の、発明に係る任意の組み合わせに及ぶ。
ここで、本発明に係る装置及び方法の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の装置を示す概略図である。 図２は、エッチング前のテストウェーハの断面図である。 図３は、エッチング後のテストウェーハの断面図である。 図４は、本発明の、第２の、連続流れの装置を示す概略図である。 図５は、エッチング前（ａ）及びエッチング後（ｂ）の、ケイ素上に熱成長させたＳｉＯ2を含む、テストウェーハの断面図を示す。
詳細な説明
図１は、構造物（示されていない）を気相化学的にエッチングするための装置を示しており、この装置は気相エッチャント源１２を含む。この例において、気相エッチャントは二フッ化キセノンであり、化学エッチャント源１２は気相二フッ化キセノンを含有し、この気相二フッ化キセノンは源１２に同様に存在する固体二フッ化キセノンの昇華物である。他の希ガスフッ化物及びハロゲンフッ化物も検討してよい。中間体チャンバー１６（一般に膨張チャンバーと呼ばれる）が所望の圧力の二フッ化キセノンで充填されるように、バルブ１４を開閉してよい。エッチングされる構造物（示されていない）は、エッチングチャンバー１８内へ入れられる。構造物の投入は、本技術分野において周知の技術及び装置を用いて実施することができる。構造物をエッチングする目的で、気相化学エッチャントのチャンバー１８内への導入を制御するように、バルブ２０を開閉することができる。装置は、水で部分的に充填されているリザーバー２２をさらに含む。バルブ２４を開けて、水蒸気がエッチングチャンバー１８に入るようにすることができる。リザーバー２２内のガス雰囲気が完全に水蒸気からなるようにするため、リザーバー２２内に存在する空気はあらかじめ排気される。バルブ２６を有する排気ラインは、真空ポンプ２８に接続される。このことにより、ガスをエッチングチャンバー１８からポンプで抜き出すことができる。装置は、真空ポンプ２８によって膨張チャンバー１６が排気されるのを可能にするバルブ３０を備える補助排気ラインを含む。装置は、本発明に従い、バルブ１４、２０、２４、２６及び３０を含む、装置の様々な要素の運転を制御するコントローラー１０をさらに含む。表現上の簡潔さのため、装置のコントローラー１０と様々な制御された要素との間の相互接続は図１に示されていない。コントローラーは、ＰＣ、ＰＬＣ、又は別のマイクロプロセッサ系デバイスなどの、任意の適切な形状であってよい。
本発明に従う装置を運転する方法をここで説明する。リザーバー２２は室温である。室温で、リザーバー２２内の液体Ｈ2Ｏの上方に、約１７Ｔｏｒｒの蒸気圧で水蒸気が存在する。バルブ２４が開かれると水蒸気がエッチングチャンバー１８内へ流れることができる。水が、リザーバー内に存在する液体Ｈ2Ｏから蒸発し、リザーバー２２内の室温圧力を維持する。そしてバルブ２４が開いている限り、エッチングチャンバー１８内の水蒸気の圧力が上昇して水の蒸気圧に近づく。エッチングチャンバー１８内の目標水蒸気圧が達成されると、コントローラー１０によってバルブ２４が制御されて、エッチングチャンバー１８内への水蒸気の供給を遮断することができるのに十分にゆっくりと（例えば、数秒の間にわたって）、このプロセスが進むよう、装置を容易に設計することができる。主チャンバー１８内のこの目標蒸気圧が最大水蒸気圧に一致してよく、又は最大水蒸気圧未満の目標圧力が代わりに達成される可能性がある、ということが明らかとなるだろう。チャンバー１８内への水蒸気の導入の間、バルブ２６が、バルブ２０と共に、閉められる。エッチングチャンバー１８が所望の圧力で所望の時間水蒸気に暴露された後に、この水蒸気は、エッチングチャンバー１８内の実際のベース圧力が達成されるまでバルブ２６を開けることにより、主チャンバー１８の外にポンプで抜き出される。主チャンバー１８内での水蒸気の典型的な滞留時間は数秒であり、水蒸気除去後のエッチングチャンバー内の典型的な実際のベース圧力は約０．３Ｔｏｒｒである。エッチングチャンバー１８からの水蒸気除去は、水蒸気パージサイクルを完了する。
次にエッチングサイクルが形成される。バルブ１４を開けて、膨張チャンバー１６が二フッ化キセノン蒸気で充填されるようにする。次にバルブ１４を閉める。エッチングされる構造物を含むエッチングチャンバー１８は、バルブ２６を介して真空ポンプ２８によりポンピングすることにより、所望のベース圧力（０．３Ｔｏｒｒなど）にされる。次にバルブ２６を閉め、バルブ２０を開け、二フッ化キセノンガスが膨張チャンバー１６からエッチングチャンバー１８内へ所望の時間流れる。この所望の時間の終わりに、バルブ２６を開け、真空ポンプ２８にエッチングチャンバー１８をポンプで減圧させる。膨張チャンバー１６が部分的に又は完全に排気されるように、このプロセスはバルブ２０が開いた状態で実施してよい。この場合、膨張チャンバー１６は、０．８Ｔｏｒｒ未満でありうるある一定の圧力にポンプで減圧されてよい。次にバルブ２０を閉め、バルブ３０を開けて、膨張チャンバー１６を所望のベース圧力まで完全に排気する。所望のベース圧力は約０．３Ｔｏｒｒ以下であってよい。次にバルブ３０を閉める。このことがエッチングサイクルを完了する。エッチング及び水蒸気サイクルは、所望の量の材料がエッチングチャンバー１８内の構造物からエッチングされるまで、周期的な様式で繰り返してよい。プロセス中で実施される本当に最初のステップは、エッチングサイクル又は水蒸気パージサイクルのどちらかであってよい。装置を概略の形でのみ図１に示している。熟練した読者は、圧力センサー及び他の部品など、本技術分野において周知の化学エッチングシステムの様々な要素があり、これらは図１には示されていないが装置中に存在し得る、ということを理解するだろう。
多数の実験が行われ、そこではケイ素を含有するテストウェーハがエッチングされた。図２は、１２０に一般的に描かれたエッチング前のテストウェーハを示している。ウェーハ１２０は、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素の層１２４をその上に有するケイ素基板１２２を備える。より具体的には、１マイクロメートル厚の二酸化ケイ素層を熱成長させ、０．３マイクロメートル厚の化学量論的ＳｉxＮy層をＬＰＣＶＤにより堆積させた。ＬＰＣＶＤ非ドープポリケイ素１２６の１マイクロメートル厚の層を、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素層１２４の上に堆積させた。１マイクロメートル厚のフォトレジストパターン１２８をポリケイ素層１２６の上に形成させた。図３は、二フッ化キセノンで化学エッチングした後のテストウェーハ１２０の典型である。図２において用いられているものと同一の参照番号が図３において用いられ、同一の特徴を示す。フォトレジスト１２８の下で、ある量のケイ素がエッチングされる。エッチングされたこの量のケイ素の範囲は、アンダーカットと呼ばれる。アンダーカットは測定され、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素層１２４の残りの厚さも測定される。これらの測定から、エッチング選択性を計算することができる。ケイ素と二酸化ケイ素又は窒化ケイ素とのエッチング選択性は、ケイ素エッチングアンダーカット距離と、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素膜厚の減少との比である。
いくつかの実験パラメーターと共に、実験結果を表１に示す。湿気の変化を最小限にし、エッチングプロセスの目視検査を可能にする目的で、全ての実験において、石英蓋を備えたエッチングチャンバーを用いた。ケイ素ウェーハをエッチングチャンバー内のチャック上に保持した。チャンバー及びチャック温度は２４℃にセットした。二フッ化キセノンが、各エッチングサイクルについて６Ｔｏｒｒの圧力で膨張チャンバー内に存在した。そして、エッチングチャンバーは、各サイクルの合間に、０．３Ｔｏｒｒ未満にポンプで減圧された。パージが行われた場合、パージサイクルは、エッチングチャンバーを０．３Ｔｏｒｒ未満にポンプで減圧する前に、エッチングチャンバー内に５秒間ガスを保持することを含んだ。各実験は、二酸化ケイ素層を有するウェーハ及び窒化ケイ素層を有するウェーハについての別個のテストを含んだ。
Figure 2017028291
実験＃１ − 参照実験
実験＃１において、エッチングサイクルの合間にパージを全くすることなくエッチングを実行した。それ故にこのプロセスは、二フッ化キセノンの一連のパルスへのウェーハの暴露を本質的に含むものとして説明することができる。これは典型的な先行技術のエッチングプロセスであり、窒化ケイ素選択性が３７０、二酸化ケイ素選択性が１３７８という結果となった。
実験＃２ − 水蒸気パージ
水蒸気でのパージを二フッ化キセノンの各パルスの後に用いた。水蒸気パージの間のエッチングチャンバー内の水蒸気圧は１２Ｔｏｒｒであった。そしてこれを、エッチングチャンバーを０．３Ｔｏｒｒ未満にポンプで減圧する前に５秒間維持した。各水蒸気パージの追加は、エッチングチャンバーを水で充填し、水蒸気圧を維持し、ポンプで減圧するプロセスに起因して、さらに約１７秒をプロセスに追加した。結果として得られる選択性は、参照実験と比較して劇的な上昇を示している。二酸化ケイ素については、およそ３５０％の選択性上昇があり、一方で窒化ケイ素については、選択性がおよそ２０００％上昇している。参照実験と比較して、ケイ素のアンダーカットエッチング距離がおよそ２５％下がったことが注目された。特定の理論又は推測に拘束されることを望むものではないが、二フッ化キセノンが水と反応することにより、ケイ素をエッチングするのに利用することのできる二フッ化キセノンの量が低減される可能性があると考えられる。ケイ素と窒化ケイ素及び二酸化ケイ素との選択性を最大化することが最も重要な要件であり、この要件が全体のケイ素エッチング速度よりも重要である用途が、多く存在する。さらに、チャンバー内の水の蒸気圧を変化させて、必要に応じてケイ素エッチング速度及び選択性を調整する手段を提供することが可能である。例えば、より低い水の蒸気圧を、ケイ素エッチング速度を上昇させる意図で用いてよい。別の可能性は、数回のエッチングパルスが用いられた後にのみ水蒸気パージが行われる、異なるエッチング工順を利用することである。さらなる可能性は、ガス流れが止められエッチングチャンバーが排気される前に、ある時間、特定のエッチングチャンバー圧力で、二フッ化キセノン（又は他のエッチャント）が流れる連続流れエッチングプロセスを用いることである。次に、特定の圧力で特定の時間、水蒸気のパルス又は流れをエッチングチャンバー内へ導入することができる。水蒸気を導入するためにたまに停止しながら連続エッチングを実施するこのプロセスを、エッチングプロセスが完了するまで繰り返すことができる。
実験＃３−７ − 比較実験
多数の他の実験を比較として実施した。実験＃３において、１７秒の遅延をエッチングステップの前に追加した。その他の点では、この実験は参照実験＃１と同一であった。１７秒の遅延は、水蒸気パージステップを実施するのに要する全体の時間に相当する。参照実験＃１と比較すると、選択性は顕著に変化していなかったが、エッチングされたケイ素の全体の量がおよそ１０％増加した。このことは、エッチングサイクルの合間でのウェーハの冷却により説明することができる。なぜなら、より低い温度が、二フッ化キセノンがケイ素をエッチングするエッチング速度を増加させることが知られているからである。実験＃３は、エッチングサイクルの合間のタイムラグを単純に導入することは、エッチング選択性向上の原動力ではないことを示している。
実験＃４は、パージが水蒸気の代わりに窒素ガスを用いて行われたことを除いては、実験＃２と同じ手順に従った。実験＃２においてエッチングチャンバー内に存在する水蒸気圧と同一の、１２Ｔｏｒｒの圧力まで窒素ガスを導入した。結果として得られる選択性は参照実験＃１と同様であったが、ケイ素エッチング速度は増加するように見えた。実際、エッチング速度が実験＃３で得られたものより大きいことを示唆する、いくらかの証拠がある。このことは、窒素の雰囲気が、エッチング速度を増加させると期待される、エッチングサイクルの合間のウェーハのさらなる冷却を提供することとつじつまが合うだろう。実験＃４は、選択性の向上が、エッチングサイクルの合間の１２Ｔｏｒｒの圧力でのガスのパージの単なる結果ではないことを証明している。
実験＃５及び６は、水蒸気の代わりに酸素ガスを用いた。これらの実験の目的は、酸素が選択性の増加の最も重要な一因であるかどうかを調査することである。６及び１２Ｔｏｒｒの両方の酸素圧力を用い、同じ数の酸素原子又は同じモル数のＯ2が、選択性の向上を説明するかどうかをテストした。しかしながら、両方の場合において、水蒸気パージを用いた際に観察された３５０％及び２０００％の向上と比較して、観察された選択性には５５％以下の比較的控え目な増加のみがあるように見える。ケイ素エッチング速度は、参照エッチングと少なくとも同じ速さであるように見える。
水素が選択性の向上の主な源であるかどうかを確かめるために、実験＃７は分子水素ガスパージを用いた。この例において、エッチングサイクルの合間に１２ＴｏｒｒのＨ2を用いた。選択性は、窒化ケイ素については悪化し、二酸化ケイ素についてはわずかに（２９％増加）向上するように見える。ケイ素エッチング速度は参照エッチングとおよそ同じである。
実験は、エッチングサイクルの合間の水蒸気パージの使用は、二酸化ケイ素及び窒化ケイ素と比べたケイ素のエッチング選択性に顕著な向上を提供することができることを証明している。この向上は、水蒸気の使用と特に結びついているように見える。具体的には、この利益は、水パージステップがエッチングを遅延させる余分の時間、ある圧力のパージガスの使用それ自体、又は個別に作動する水の原子成分のいずれか、によって説明することができない。
エッチングガスと共に水蒸気を流すことのできる連続流れエッチングシステムを用い、さらなるテストを実施した。このシステムは図４に示されており、図１に示されている要素と同一の多数の要素を含む。図１で用いられているものと同一の参照番号が図４において用いられ、これらの共通の要素を示す。ウェーハ（又はサンプル、示されていない）を、プロセスチャンバーとも呼ばれるエッチングチャンバー（１８）内へ入れ、主真空バルブ２６及びさらに圧力制御バルブ１４０の両方を開けることにより、チャンバー１８を適切に低い圧力、例えば０．３Ｔｏｒｒ未満、にポンプで減圧する。チャンバー１８内の圧力を圧力制御バルブ１４０により用いられる圧力センサー１５０によりモニターし、設定点にする。圧力制御バルブ１４０に、プロセスエッチング圧力の設定点、例えば１Ｔｏｒｒを送る。圧力制御バルブは、ＡＰＣ（自動圧力コントローラー）として知られるタイプのものであってよい。ほぼ同時に、源バルブ１４及びＸｅＦ２の制御バルブ１００と１０２及び水蒸気の制御バルブ２００と２０２を開けることにより、ＸｅＦ2及びＨ2Ｏ蒸気の流れを開始させる。ＭＦＣ（マスフローコントローラー）１０１及び２０１を、ＸｅＦ2及びＨ2Ｏについての流速を修正するように設定する。ウェーハ蒸気の源は、真空気密リザーバー、３００であり、これは、水であらかじめ部分的に充填され、空気が排気された。室温で、水の上の空間は、約１７Ｔｏｒｒの蒸気圧のＨ2Ｏで充填される。
これらの流れは、エッチングプロセスの持続のために維持され、チャンバー圧力は圧力制御バルブ１４０により圧力設定点に維持される。プロセスの終わりに、バルブ１００及び１０２を閉め、水蒸気が用いられた場合はバルブ２００及び２０２も閉める。圧力制御バルブ１４０を完全に開け、チャンバーを低圧、例えば０．３Ｔｏｒｒ未満にポンプで減圧する。そして、主真空バルブ２６を閉め、ベントガス１０３（これは典型的にはＮ2である）を、例えば３０Ｔｏｒｒの圧力まで流し、バルブ１０３を閉めて次にバルブ２６を開け、ウェーハを除去する前にこのプロセスを数回繰り返すことにより、数回のポンプ／パージサイクルを実施する。
ＰＣ又はＰＬＣコントローラーなどのコントローラー１０が、図１中に１０として提供されているが、表現上の簡潔さのために図４には示されていない。典型的には、ＭＦＣ１０１及び２０１をポンプで減圧又はパージするための追加のバルブがある（示されていない）。この連続流れプロセスは、パルスシステムと統合することができる。水蒸気流速の上昇を、容器３００内の水の温度を上昇させることにより実現することができる。代わりに、水気化器を用いることができる。
ＳｉＯ2選択性のより精度の高いテストとして、連続流れ運転を用いる別のタイプのテストウェーハを実行した。このタイプのテストウェーハ（ＸＯ）は、Ｓｉ基板５０と、その上に熱成長される１マイクロメートルのＳｉＯ2の層５２からなる（図５ａ）。次にＳｉＯ2層は、２５００−ｕｍピッチの５００−ｕｍ四方の穴の配列でパターン化される。そのため、ウェーハ領域のおよそ４％が暴露されたＳｉである。ＳｉＯ2膜は、エッチング前後の両方で、ウェーハの表面上にある。そのため、ＳｉＯ2層がエッチングされたＳｉ層の下にあるテストウェーハと比較して、より正確な厚さ測定が可能である。（厚さ測定は、ウェーハの直径に沿った５点を平均し、さらに正確さを向上させた。）エッチングプロセスは基板内へ穴を作る（図５ｂ）。そして、エッチングの量は、側方エッチング（又は「アンダーカット」）により光学的に特徴付けることができる。これらのテストウェーハについて、他のタイプのテストウェーハについてのものと同じ機械設定及び処方を用いた。
Figure 2017028291
表２において、エッチングガスとともにＨ2Ｏを用いることの利益を立証するのに用いられた条件は、２１０秒エッチングサイクルについての参照点として機能する実行番号８で見ることができる。９．６ｓｃｃｍのＨ2Ｏを３０ｓｃｃｍの参照ＸｅＦ2ガス流れに添加することによって、我々は、Ｓｉ／ＳｉＯ2選択性が８０４：１から＞２７，４１９：１へ非常に実質的に向上することを見ることができる。エッチング速度（アンダーカット値）の向上もまた観察される。
いかなる特定の理論又は推測により拘束されることを望むものではないが、微量の水が、二酸化ケイ素及び窒化ケイ素をエッチングすることの要因と考えられるフリーＦラジカルと結合し中和すると考えられる。
多数の改変及び変形が可能である。例えば、ある特定のエッチングステップ間のみで水蒸気パージステップを実施することが可能である。別の可能性は、連続流れエッチングを停止し水蒸気パージを実施する前の所望の時間、連続流れエッチングを実施することである。水蒸気のパルス又は流れを、特定の圧力及び特定の時間で、エッチングチャンバー内へ導入してよい。この後、連続流れエッチングプロセスを再開することができる。連続流れエッチングの停止及び水蒸気パージの実施を、必要な回数繰り返すことができる。二フッ化キセノンを用いるケイ素のエッチングに関連して、本発明を例証してきたが、他のエッチャントを利用すること及び他の材料をエッチングすることも可能である。例えば、本発明を用いて、モリブデン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ及びタングステンなどの材料を選択的にエッチングしてよい。ＫｒＦ2、ＸｅＦ4、ＸｅＦ6、ＣｌＦ3、ＢｒＦ3、及びＩＦ5などの他のエッチャントを代わりに用いてよい。

Claims (18)

  1. 構造物を気相化学的にドライエッチングする方法であって、
    該構造物をエッチングチャンバー内に配置するステップであって、該構造物が第１の材料及び第２の材料を含み、該第１の材料がケイ素、モリブデン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ及びタングステンから選択され、該第２の材料が二酸化ケイ素又は窒化ケイ素であり、該第１の材料の少なくとも１つの表面が気相化学エッチャントにより接触可能であるように暴露している、ステップ；及び
    該第１の材料を希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相化学エッチャントでエッチングするステップ、を含み、
    該方法が、該第１の材料をエッチングするステップが水蒸気の存在下で行われるように、該エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップをさらに含む、方法。
  2. 該チャンバーを水蒸気に暴露するステップが、該第１の材料をエッチングするステップより前に、水蒸気を該エッチングチャンバー内へ導入するステップ及びその次に水蒸気を該エッチングチャンバーから除去するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 水蒸気を該エッチングチャンバー内へ導入するステップ、水蒸気を該エッチングチャンバーから除去するステップ、及び該基板をエッチングするステップが周期的に繰り返される、請求項２に記載の方法。
  4. 該第１の材料を希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相エッチャントでエッチングする最初のステップが、水蒸気を該エッチングチャンバー内へ導入するステップ、水蒸気を該エッチングチャンバーから除去するステップ、及び該基板をエッチングするステップの周期的繰り返しより前に行われる、請求項３に記載の方法。
  5. 該エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップが、水蒸気を該エッチングチャンバー内に導入し、それと同時に気相化学エッチャントが該エッチングチャンバー内へ導入される、ステップを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 該気相化学エッチャント及び該水蒸気が、該エッチングチャンバー内へ連続的に流される、請求項５に記載の方法。
  7. 該気相化学エッチャント及び該水蒸気が、一連のパルスで同時に該エッチングチャンバー内へ導入される、請求項５に記載の方法。
  8. 該気相化学エッチャント及び該水蒸気が、該エッチングチャンバー内へ別々に導入される、請求項５に記載の方法。
  9. 該気相化学エッチャント及び該水蒸気が、該エッチングチャンバー内へのそれらの導入より前に、共に混合される、請求項５に記載の方法。
  10. 該化学エッチャントがＸｅＦ2である、請求項１に記載の方法。
  11. 該エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップが、少なくとも５Ｔｏｒｒの圧力で水蒸気を該エッチングチャンバー内へ導入するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  12. 少なくとも１０Ｔｏｒｒの圧力で、該水蒸気が該エッチングチャンバー内へ導入される、請求項１１に記載の方法。
  13. 該第１の材料をエッチングするステップの間、該エッチングチャンバー内の水蒸気の分圧が、該エッチングチャンバー内の気相化学エッチャントの分圧よりも小さい、請求項１に記載の方法。
  14. ３０℃未満の温度で、該水蒸気が該エッチングチャンバー内へ導入される、請求項１に記載の方法。
  15. ２０秒未満で、該水蒸気が該エッチングチャンバー内へ導入される、請求項１に記載の方法。
  16. 少なくとも２，５００、好ましくは少なくとも４，０００、より好ましくは少なくとも１０，０００、及び最も好ましくは少なくとも２０，０００の、該第１の材料と該第２の材料とのエッチングの選択性で、該構造物が化学的にエッチングされる、請求項１に記載の方法。
  17. 該第２の材料が窒化ケイ素であり、かつ少なくとも６０００の、該第１の材料と該第２の材料とのエッチングの選択性で、該構造物が化学的にエッチングされる、請求項１６に記載の方法。
  18. 請求項１に記載の方法で該構造物を気相化学ドライエッチングするための構造物及び装置であって、
    該装置が、
    該構造物が中に配置されるエッチングチャンバー；
    希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相化学エッチャントの第１の源；
    ある体積の水を含有する第２の源；及び
    ｉ）該エッチングチャンバーを該第２の源から供給される水蒸気に暴露させ、ｉｉ）水蒸気の存在下で該構造物を該第１の源から供給される該気相化学エッチャントでエッチングさせる、コントローラーを含むガス送達及び除去システム、を含み、
    該構造物が第１の材料及び第２の材料を含み、該第１の材料がケイ素、モリブデン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ及びタングステンから選択され、該第２の材料が二酸化ケイ素又は窒化ケイ素であり、該第１の材料の少なくとも１つの表面が該気相化学エッチャントにより接触可能であるように暴露している、構造物及び装置。
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